[发明专利]一种估算金属增材制造超声冲击处理作用层深度的方法

说明书

本发明提供一种估算金属增材制造超声冲击处理作用层深度的方法，作用层深度计算模型为:式中，r_max为作用层深度、υ为增材制造金属件泊松比、ρ为密度、E为弹性模量、f为超声换能器频率、A为变幅杆振幅、r₀为冲击针半径、pin为冲击针、AM为被冲击材料、σ_p0.2为被冲击材料在高应变率条件下的压缩屈服强度。本发明的估算方法可以用来预测在特定“增材”与“锻造”成形参数下作用层深度，用于指导“超声波辅助增材制造”复合制造成形工艺制定，如逐层沉积层高度、线能量输入密度、UIT频率及振幅等，实现增材制造金属零部件组织和内应力的准确控制，解决现有增材制造技术成形金属构件控形、控性难题，获得和锻件性能相媲美的高性能金属零部件。

技术领域

本发明涉及一种超声冲击处理作用层深度的方法，尤其涉及一种估算金属增材制造超声冲击处理作用层深度的方法，属于增材制造及超声冲击处理领域。

背景技术

作为一种先进的制造技术，增材制造(Additive manufacturing,AM)技术获得了广泛的应用。但是增材制造成形金属制件沉积态组织存在一些固有特征，以激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)技术为例，由于成形过程由高能量密度激光束形成较小熔池，使送入熔池中的粉末完全熔化，冷却过程经历较高的温度梯度、极快的冷却速度以及大的凝固前沿生长速度，因此沉积组织多为发达的柱状枝晶、非平衡显微组织以及存在较大的残余应力。外延生长的柱状枝晶使沉积件力学性能各向异性。其次，局部快速凝固会在成形件中产生高的残余应力，若实验参数控制不当甚至会在晶间区域产生热裂纹，因此影响材料的疲劳强度和断裂韧性。力学性能各向异性以及较大残余应力的存在会限制激光沉积金属制件在高性能关键部件上的应用。

因此，为了消除激光金属沉积件组织不利特征，除了对成形工艺参数优化外，人们发展了多种辅助成形工艺技术，例如：后续热处理、表面冲击处理(SMAT)、滚压轧制、超声振动、热等静压、喷丸等来改善沉积件的组织和性能。但是这些技术存在各种各样的局限性，例如：超声振动技术不适合大尺寸构件的成形，因为随着构构件尺寸的增加，振动能场对零件上端熔池作用减弱，对换能器功率及负载能力提出更高要求；滚压轧制技术是采用滚轮对金属熔覆层进行逐层轧制锻造，把铸态组织变为锻造态组织，但需要对滚轮施加较大的压力，因此，这种技术难以成形薄壁件和形状复杂构件。后处理技术中热等静压及热处理技术等需要昂贵的大型设备且处理成本高，难以处理大型金属制件。

最近几年，超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)技术作为一种后处理技术因其设备小、操作简单、高能量密度输入等特点被广泛应用在焊接接头处理中，用来消除残余应力，降低表面应力集中，提高焊接接头的疲劳性能。在超声冲击处理过程中，普通正弦波电信号经过超声电源及换能器后，转化为20kHz及以上超声频率振动信号，经变幅杆放大作用后，推动冲击针以较高速度冲击待处理材料表面，使冲击表面一定深度内发生严重的塑性变形以及改变材料表面的应力状态(由拉应力状态转化为压应力状态)，从而提高材料疲劳性能。后来人们结合金属增材制造(AM)技术与超声冲击处理(UIT)技术，发展了增锻复合制造技术。即在进行激光沉积金属的同时，施加超声冲击能量，实现“逐层沉积，逐层锻造”，可有效改善沉积层组织、锻合缺陷、消除内应力，其次，由于其冲击过程“小载荷，小冲击面积，大冲击能量密度”的特点，可实现较复杂薄壁金属零部件的复合成形。